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近日深度解析回收碳纤维的市场现状与应用趋势
作者:管理员    发布于:2020-09-28 01:23:15    文字:【】【】【

提到回收碳纤维,它的情况比较复杂,因为该行业建立在希望解决问题之上,即:期望将碳纤维废物排除在垃圾填埋场之外,并填补碳纤维供需之间的潜在缺口,据估计目前约有30%的碳纤维最终会以废料的形式出现。

大多数专家一致认为,未来几年内全球对碳纤维的年需求量可能会超过当前的年生产能力。根据Hexcel全球纤维总裁Brett Schneider的估计,全球碳纤维需求量约为每年65,000-85,000吨,而全球铭牌产能(超过实际产能)约为150,000吨。而根据Amanda Jacob今年3月的报告,到2022年全球碳纤维需求可能会超过供应24,000吨。

虽然回收碳纤维(recycled carbon fiber, rCF)的商业供应商指出,通过对碳纤维回收可以作为解决供需之间的矛盾,但rCF行业也面临着自身的挑战。碳纤维复合材料回收技术已经发展了多年,并且能够生产出具有非常接近原始材料的机械性能的产品,但是复合材料回收行业相对而言还是比较年轻,并且仍处于早期阶段。

rCF商业供应商通常将航空航天业视为生产废料和报废材料的主要来源,但是就填埋场而言,航空航天工业产生的废物量很大,许多OEM和制造商回收能力有限,因此也都不愿将航空航天中的大批量产品作为供应来源。

但在另一方面,这种局面正在取得一些进展。2018年12月,波音公司宣布将向碳纤维回收专业公司ELG Carbon Fiber Ltd.提供固化和未固化的碳纤维废料,将其回收再用于其他复合材料,并最终用于次级产品中。该协议是碳纤维回收商与主要飞机原始制造商之间的首个正式的材料供应关系,并且似乎是该行业的一个好兆头。

rCF不只是环境问题

rCF的一个优势在于可以降低成本,例如,ELG Carbon Fibre的rCF成本比工业级碳纤维低40%左右。也有其他商业供应商声称,他们回收碳纤维比原始碳纤维也可便宜20%至40%。由于许多应用领域需要不连续的短切碳纤维,这为rCF提供了一种很好的替代方案。

此外,在一些情况下,rCF的质量已正是可与原始纤维相媲美。ELG Carbon Fibre通过热解回收碳纤维,该公司的纤维通常保持至少90%的拉伸强度,而模量不变;Vartega通过采用化学回收工艺回收后的碳纤维表现出与原始碳纤维相同的机械性能;Shocker Composites公司采用在线溶剂分解工艺来回收纤维,并指出其工艺对纤维无明显损害。

ELG Carbon Fibre的再生碳纤维非织造毡

鉴于过去几年在rCF加工和纤维质量方面的最新进展和突破,商业供应商已开始将其关注点从rCF的向下循环转移到性能较低的产品上,并且更多地转向寻找可从材料特性中受益的合适应用。在这些合适的应用中,它优于初始碳纤维,而且悬垂性和表面光洁度均比纯纤维好;而且它还具有可重复使用性。

rCF之于汽车行业如何?

在市场方面,汽车行业似乎具备使用rCF的最大潜力,回收碳纤维将轻量化和良好的表面光洁度相结合,使其适用于车身面板,更不用说各种内部组件了。长期以来,rCF的商业供应商一直期待着进入这个行业,并希望能被广泛采用,但是工艺时间和成本仍然是该行业的绊脚石。

汽车门板由Carbon Conversions的re-Evo MCF制成的预浸料制成

但一些实验性工作已经开展,英国ProDrive Composites公司是先进的轻质复合材料的制造商,其应用范围从汽车、赛车、航空航天到国防。该公司一直与英国谢菲尔德大学先进制造研究中心和ELG碳纤维公司合作进行P2T(从初级到第三级)工艺,这是一种使用反应性热塑性树脂制造可回收复合材料组件的新工艺。

该公司表示,P2T允许复合材料使用3次或更多次,在主要部件的使用寿命结束时,纤维和可能的树脂都可以回收,因此可为热塑性次要部件(例如车身面板)提供原材料。当该零件达到使用寿命时,可以将其切碎并重新成型为新零件。

与此同时,Vartega领导的复合材料制造创新研究所也正专注于汽车行业。一项为期两年的技术合作旨在为车辆轻量化应用创建一致的回收碳纤维增强热塑性塑料。目前该项目正在朝着强大的数据库迈进,该数据库提供了从纤维界面到成品零件特性材料的完整表征。

航空航天可以形成闭环吗?

航空航天业产生的碳纤维废料最多,商业的rCF供应商经常将航空航天业视为回收的来源,而收集的材料通常是未固化的热固性复合预浸料,它们通过加热(热解)或化学溶剂(溶剂分解)去除树脂,以生产出经研磨、切碎或切粒的纤维。

随着航空航天行业领域中热塑性复合材料(TPC)应用比例增加,这会rCF带来了一系列新的回收机会。由于热塑性聚合物可以重塑,因此航空航天工业会有更多机会将其自身的一些废料用到二次应用中,从而有可能重新利用纤维和基体。

热塑性复合材料应用中心研究员Thomas de Bruijn指出从可行性的角度来看,对于热塑性复合材料而言,回收再利用更有意义。GKN Fokker工程压力专家Johan Meuzelaar 认为,如果原始材料采用了热塑性材料,有很多零件可以回收利用。热塑性复合材料工程师Guillaume Vincent也认为回收利用可使其成为最经济的途径。

TPC-循环回收路线

De Bruijn,Vincent和Meuzelaar参与了TPC-Cycle项目,该项目旨在将热塑性复合材料加工过程中产生的生产废料重新用于航空航天和大批量应用。目的是保持热塑性复合材料的高机械性能,并以可承受的成本降低总体环境影响。TPC-Cycle的循环时间短,据说可以生产复杂的形状。

TPC-Cycle项目现在正在进行成本分析和生命周期分析,以证明该过程具有经济效益。此外,诸如“清洁天空2联合事业”(由欧盟的“地平线2020”计划资助)之类的计划也正在鼓励着重于航空废料闭环的研发。OEM希望将回收的工厂废料用于内部零件、检修面板、小零件,甚至机身夹和系统支架的潜力。

增材制造技术

增材制造是rCF有潜力获得应用的另一个领域。如,Shocker Composites已将其回收碳纤维以20-40%比例对ABS进行增强,并在辛辛那提公司的大面积增材制造(BAAM)3D打印工艺中的成功应用。

Vartega表示将利用其碳纤维回收技术和材料开发专业知识来改进用于粉末床熔融添加剂制造的聚合物原料。该公司最近获得了美国国家科学基金会的小型企业创新研究(SBIR)资助,用于该领域的研究与开发。

此外,Vartega声称还正在开发一种碳纤维增强热塑性粉末工艺,它可以同时确保材料在红外添加剂系统中产生功能部件。据报道,这一进步将使数字制造商能够充分发挥新型粉末基硬件平台的潜力,以中等产量的速度生产性能与注塑材料相似的零件。

回收碳纤维的其他应用

美国复合材料回收技术中心(CRTC)一直在探索回收碳纤维在各种产品中的应用,这些领域从公园长椅到高性能体育用品再到复合管材。该公司碳纤维主要来源于从美国东丽复合材料公司未固化预浸材料回收的碳纤维以及ELG Carbon Fibre的rCF。

该公司最近通过一项正在申请专利的工艺开发了一种建筑级交叉层压木材(CLT),该工艺将热改性木材与回收碳纤维结合在一起。热改性过程会蒸煮糖和木质素,提供耐腐烂和抗白蚁的能力,然后将碳纤维整合在一起以提高强度。

这种建筑级交叉层压木材将热改性木材与回收碳纤维结合

CRTC还使用回收的碳纤维来制作与木饰面粘合的面板,这些面板展示了具有坚固、轻巧和灵活性的木材之美,适用于各种内部和外部应用,如下图来自2019年在西雅图Benaroya大厅安装的装置。

脚注信息
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